EP3109311B1 - Solar gas installation which can be operated in multiple modes - Google Patents
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Definitions
- Subject of the device according to the invention is a three-chamber device in which gas is exchanged between the first and second chambers via a gas-permeable and liquid-impermeable membrane for the treatment of a biological fluid and a fluid exchange between the first and third chambers through a membrane.
- PTMs When compared to air-enhanced oxygen-to-carbon dioxide ratios, PTMs produce organic material of particular biotechnological interest during the calibra- tion cycle, during which carbon dioxide is fixed under normal conditions and used to build up glucose for energy.
- This phenomenon is based on the fact that ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase (RuBisCO) also accepts oxygen as an alternative to carbon dioxide, with the KM value for oxygen being 350 ⁇ mol / l higher than for carbon dioxide having 9 ⁇ mol / l is. Long ago, in the Earth's atmosphere, the oxygen content was so low that this process did not matter.
- the medium in which the PTM is exemplified here by cyanobacteria such as Gloeothece 6909 and the methanogens such as clostridia such as Synthrophobotulus glycolicus or FIGlyM (Friedrich et al., 1996) and Methanococcus maripuladis preferably has at least the following composition: Media component Quantity in g / l KH 2 PO 4 0.12 K 2 HPO 4 0.12 NaNO 3 0.15 KCl 0.42 NH 4 Cl 0.25 CaCl 2 ⁇ 2 H 2 O 0.12 resazurin 0.75 x 11 -3 Na 2 S x 9 H 2 O 0.40 NaHCO 3 3.75 L-Cysteine HCl x H 2 O 0.40 EDTA
- the transition from the regeneration mode to the production mode is preferably carried out in the partial reactor circuit with interrupted contact with the second section by degassing the medium of air and gassing with oxygen.
- the ratio of carbon dioxide to oxygen in the medium in the first section in the production mode is low, preferably 1: 800 to 1: 3000. This corresponds to the range in which RuBisCO increasingly accepts oxygen and the organic material precursors are produced by the PTM without the oxygen content being toxic.
- the ratio in the regeneration mode according to the air composition is 1: 500. The reduction of the carbon dioxide-oxygen ratio is achieved by degassing the air and gassing with oxygen in the transition to the production mode.
- the carbon dioxide is separated from the biogas produced in the second section by a biogas filter and stored in the replacement gas storage for the replacement gasification described.
- the carbon dioxide can be used in the regeneration mode instead of the air.
- the separation of biogas in biomethane and carbon dioxide is preferably carried out by a Hohlmaschineutton.
- carbon dioxide is separated from the gaseous fiber through the pores of the hollow fibers, which are smaller than 0.05 microns, while the slower passing through biomethane remains in the hollow fiber and is forwarded. It can then be stored in a bioethanol storage and used to generate energy without further ado. It is particularly advantageous that the concentrations of toxic nitrogen compounds such as nitrogen oxides and ammonia and sulfur compounds such as hydrogen sulfide are negligible, preferably less than 0.1%.
- the preferred hollow fiber contactors for degassing and gassing have an inlet and outlet for the liquid flow. In each case an input space and an output space are connected. In between are the hollow fibers, which are fixed on both sides by a partition wall. The partitions limit the permeate space through which the hollow fibers are stretched. An opening of the permeate space is followed by a pump.
- degassing it is a gas pump that removes the gas from the Hollow fibers leads away, thus from their point of view, a vacuum pump.
- FIG. 7 for fumigation it is a gas pump that conducts the gas to the hollow fibers and creates an overpressure in the permeate space.
- the expression and / or the activity of glycolic acid dehydrogenase (EC 1.1.99.14) and / or glycolic acid oxidase (EC 1.1.3.15) is suppressed in the PTM or appropriate PTMs are selected on the basis of activity measurements.
- the suppression occurs, for example, by shRNA (small hairpin RNA), an RNA molecule with a hairpin structure that can artificially shut down genes by RNA interference (RNAi).
- shRNA small hairpin RNA
- RNAi RNA interference
- siRNAs small interfering RNA
- short, single- or double-stranded ribonucleic acid molecules with a length of 20 to 25 base pairs can be used. They capture complementary single-stranded RNA molecules and thus inhibit the expression of the corresponding protein.
- the gases can be temporarily stored after combined degassing and degassing operations.
- the biogas discharge from the second section is preferably transferred into a biogas filter and subsequently into a biomethane storage tank.
- the biogas filter is connected to the replacement gas storage.
- the carbon dioxide diverted through the biogas filter can be made available to the replacement gas cycle again. Provision of superfluous carbon dioxide in the regeneration mode is also conceivable. It is in the result of a double circuit.
- a pH sensor in the first section preferably serves to determine how high the organic acid content is in the medium and when to initiate the exchange mode accordingly. Alternatively, solar sensors can be used to detect the activity of the PTM.
- the medium (3) leaves the second section (4) and is degassed in the fourth filter (14) by carbon dioxide, which in turn is provided for gassing by the third filter (13) or storage in the replacement gas reservoir (23).
- the medium (3) is again gassed with oxygen, which comes from the degassing of the first filter (11).
- the medium (3) which is now reoxygenated, returns to the first section (2).
- the valves of the second section (4), a part of the first connection pipe (8), the second connection pipe (9) and a part of the first cross connection pipe (10) are corresponding to FIG. 4 closed.
- the first pump (27) circulates the medium (3) through the first part of the first connection pipe (8), the upper part of the first cross connection pipe (10) and the second cross connection pipe (15).
- the medium (3) first passes through the first filter (11), in which it is degassed by oxygen, which is temporarily stored in the oxygen reservoir (24). Thereafter, the medium (3) flows through the fifth filter (16) and is there with ambient air, which is sucked through an air line (17) and through an air filter (18) fumigated.
- the medium finally returns to the first section (2).
- the valves of the second section (4), the first connecting pipe (8), a part of the second connecting pipe (9) and a part of the first cross-connecting pipe (10) according to FIG. 6 closed.
- the second pump (28) circulates the medium (3) through the first part of the second connection pipe (9), the lower part of the first cross connection pipe (10) and the second cross connection pipe (15).
- the medium (3) initially passes the fifth filter (16), in which it is degassed by the remaining air, which is discharged through the air line (17) and through the air filter (18) into the environment. Thereafter, the medium (3) flows through the second filter (12) and is there gassed with the previously stored oxygen from the oxygen storage (24). It finally returns to the first section (2).
- the valves of the first section (2) are closed.
- the production mode starts with sunlight irradiation, which is registered by a solar detector.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von organischem Material aus dem aeroben Abschnitt eines kombinierten Fermenters und dessen Umsetzung in Biomethan im anaeroben Abschnitt sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for the separation of organic material from the aerobic section of a combined fermenter and its implementation in biomethane in the anaerobic section and an apparatus for carrying out the method.
Die Produktion von Biogas aus Pflanzen ist eine vielversprechende Technologie zum Erreichen der Energiewende. Biogas stellt aufgrund seiner einfachen Speicherbarkeit und seines hohen Energiegehalts mit einen der effektivsten Energieträger dar. Seit 2012 stagniert jedoch aufgrund rechtlicher und räumlicher Einschränkungen nahezu der Bau neuer Biogasanlagen in Vorreiterländern wie Deutschland (Fachverband Biogas-Prognose vom Juni 2014, wonach die Zahl der installierten Anlagen um nur 61 auf 8005 2015 steigen wird). Problematisch ist neben hohem Ackerflächenverbrauch, der zunehmend die Kosten für den Anbau von Nahrungsmitteln erhöht, dem aufwendigem Wachstum sowie der Ernte der Pflanzen und der Aufreinigung des Biogases, die energieaufwendige zentrale Versorgung der Bevölkerung mit dem Energieträger. Im Vergleich zu Landpflanzen haben phototrophe Mikroorganismen (PTM), zu denen u.a. Cyanobakterien, Seegras und Tang gehören, höhere Wachstumsraten und eine flächen bezogen höhere Produktivität (Dismukes et al. 2008; Bericht des FHI 2011). Die Kultivierung von PTM steht in keinem Konflikt mit der Produktion von Nahrungsmitteln, da eine PTM-Kultivierung nicht an die Nutzung von Ackerland gebunden ist. Vielmehr sind PTM äußerst genügsam und können an Orten kultiviert werden, die für Ackerbau und Industrie nicht nutzbar sind, wie an versiegelten Flächen, Küstenregionen, auf ertragslosen Böden wie z.B. in der Wüste oder an Salzwasserquellen, die keine entsprechende Wasserqualität besitzen. PTM benötigen im weitesten Sinne nur Kohlenstoffdioxid, Sonne und Spurenelemente zum Leben und Wachsen. Die dadurch geschaffene Unabhängigkeit ermöglicht nicht zuletzt eine dezentrale Versorgung der Bevölkerung mit rentabler Energie.The production of biogas from plants is a promising technology for achieving the energy transition. Due to its simple storage capacity and its high energy content, biogas is one of the most effective energy sources. Since 2012, however, legal and spatial restrictions have almost stagnated the construction of new biogas plants in such pioneering countries as Germany (Fachverband Biogas Prognosis, June 2014), according to which the number of installed plants will rise by only 61 to 8005 in 2015). The problem is in addition to high arable land use, which increasingly increases the cost of growing food, the costly growth and harvest of plants and the purification of biogas, the energy-consuming central supply of the population with the energy source. Compared to terrestrial plants, phototrophic microorganisms (PTM), which include i.a. Cyanobacteria, seagrass and tang include higher growth rates and higher productivity (Dismukes et al., 2008 FHI report). The cultivation of PTM is not in conflict with the production of food, as PTM cultivation is not tied to the use of arable land. Rather, PTMs are extremely modest and can be cultivated in places that are not usable in agriculture and industry, such as on sealed areas, coastal areas, on non-productive soils such as e.g. in the desert or at salt water sources that do not have the appropriate water quality. In the broadest sense, PTMs only require carbon dioxide, sun and trace elements to live and grow. The resulting independence not least enables a decentralized supply of the population with profitable energy.
PTM stellen mit schätzungsweise mehr als 45.000 Arten ein biotechnologisches und wirtschaftliches Potential dar, das bei Weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Da sie vergleichbar mit Pflanzen Kohlenstoffdioxid zum Aufbau von organischem Material nutzen, welches bei der Verbrennung wieder frei wird, ist ein energetisches Recycling von Kohlenstoffdioxid möglich ohne zur weiteren Erderwärmung beizutragen. Die reine Vergärung von PTM zu Biogas ist nicht sehr effektiv, da das entstehende Biogas mit Ammoniak und Schwefelwasserstoff verunreinigt ist und die Aufreinigung des Biogases sowie die Vorbehandlung der PTM viel Energie kostet. Demgegenüber wurde erkannt, dass nichtwachsende PTM, die vergleichbar mit mikroskopischen Fabriken organisches bzw. anorganisches Material aufbauen, zur Produktion von reinem Biogas geeigneter sind. Sie benötigen keinen Dünger und der Energieaufwand ist nach dem Wachstum in der Produktionsphase gering. Biogas wird durch PTM selbst nicht hergestellt. Sie können aber Intermediate herstellen, die von einem Partnerorganismus weiter zu Biogas verstoffwechselt werden, wobei beide Prozesse insgesamt effektiver sind als die Herstellung eines Energieträgers durch PTM alleine.PTMs, with an estimated more than 45,000 species, represent a biotechnological and economic potential that is far from exhausted. Because they use carbon dioxide as an alternative to plants to build organic material that is released during combustion, an energetic recycling of carbon dioxide is possible without contributing to further global warming. The pure fermentation of PTM to biogas is not very effective because the resulting biogas is contaminated with ammonia and hydrogen sulfide and the purification of the biogas and the pretreatment of the PTM costs a lot of energy. In contrast, it has been recognized that non-growing PTMs, which are comparable to microscopic factories to build organic or inorganic material, are more suitable for the production of pure biogas. You do not need fertilizer and energy consumption is low after growth in the production phase. Biogas is not produced by PTM itself. However, they can produce intermediates that are further metabolized to biogas by a partner organism, both of which are more effective overall than producing PTM alone.
Aus der
Durch die Erfindung soll das Problem gelöst werden, dass bei der Produktion von organischem Material in einem Teilbereich eines Fermenters hohe Sauerstoffpartialdrücke herrschen, wobei in einem weiteren Teilbereich, der mit dem ersten in Verbindung steht, diese hohen Sauerstoffpartialdrücke zu vermeiden sind. Weiterhin soll das Problem gelöst werden, dass Kohlenstoff aus der Luft in Energieträger im Rahmen eines Fermentationsprozesses ohne großen Energieaufwand integriert werden soll.The invention is intended to solve the problem that high partial pressures of oxygen prevail in the production of organic material in a partial region of a fermenter, wherein in a further partial region, which is in communication with the first, these high oxygen partial pressures are to be avoided. Furthermore, the problem should be solved that carbon from the air in energy sources in a fermentation process should be integrated without much energy.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst, wobei die in Anspruch 11 beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.According to the invention the object is achieved by the method described in
Die Erfindung basiert auf der nachfolgend dargestellten wissenschaftlichen Grundlage.The invention is based on the scientific basis presented below.
PTM produzieren und sekretieren bei bestimmten physiologischen Bedingungen organisches Material, d.h. Kohlenstoffverbindungen wie zum Beispiel organische Carbonsäuren. In der Glycogensynthese behinderte Synechocystis sp. PCC 6803 stellen beispielsweise bei Stickstoffmangel ∟-Ketoglutarsäure und Brenztraubensäure her (Carrieri D. et al. 2015).PTM produce and secrete organic material at certain physiological conditions, i. Carbon compounds such as organic carboxylic acids. In glycogen synthesis, Synechocystis sp. For example, PCC 6803 produces ∟-ketoglutaric acid and pyruvic acid in the absence of nitrogen (Carrieri D. et al., 2015).
Bei im Vergleich zu Luft erhöhtem Sauerstoff-Kohlenstoffdioxid-Verhältnis erzeugen PTM im Calvinzyklus, durch den bei normalen Bedingungen Kohlenstoffdioxid fixiert und für den Aufbau von Glucose zur Energieversorgung genutzt wird, organisches Material, welches von besonderem biotechnologischem Interesse ist. Diesem Phänomen liegt die Tatsache zugrunde, dass Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (RuBisCO) alternativ zu Kohlenstoffdioxid auch Sauerstoff akzeptiert, wobei der KM-Wert für Sauerstoff mit 350 µMol/l höher als für Kohlenstoffdioxid mit 9 µMol/l ist. Vor langer Zeit war in der Erdatmosphäre der Sauerstoffgehalt noch so gering, dass dieser Prozess noch keine Rolle spielte. Bei der Reaktion mit Sauerstoff entsteht neben 3-Phosphoglycerinsäure (3-PGA) auch 2-Phosphoglycolsäure (2-PG), die nicht mehr im Calvin-Zyklus oder anderweitig im Organismus verwendet werden kann und daher durch andere biochemische Reaktionen recycelt oder sekretiert werden muss. Der zur Regeneration von Kohlenstoff für den Calvinzyklus genutzte Stoffwechselweg gilt als einer der verschwenderischsten Prozesse auf der Erde. Dieser Umstand ist andererseits für die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende natürliche Biotechnologie nutzbar.When compared to air-enhanced oxygen-to-carbon dioxide ratios, PTMs produce organic material of particular biotechnological interest during the calibra- tion cycle, during which carbon dioxide is fixed under normal conditions and used to build up glucose for energy. This phenomenon is based on the fact that ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase (RuBisCO) also accepts oxygen as an alternative to carbon dioxide, with the KM value for oxygen being 350 μmol / l higher than for carbon dioxide having 9 μmol / l is. Long ago, in the Earth's atmosphere, the oxygen content was so low that this process did not matter. Reaction with oxygen produces 3-phosphoglyceric acid (3-PGA) as well as 2-phosphoglycolic acid (2-PG), which can no longer be used in the Calvin cycle or otherwise in the organism and therefore has to be recycled or secreted by other biochemical reactions , The metabolic pathway used to regenerate carbon for the calvary cycle is considered one of the most wasteful processes on earth. On the other hand, this circumstance can be used for the natural biotechnology on which the process according to the invention is based.
Der Umgang mit 2-PG, dem ersten stabilen Zwischenprodukt nach dem Calvinzyklus, ist von Organismus zu Organismus unterschiedlich. 2-PG wird durch Dephosphorylierung in Glycolsäure (Hydroxyessigsäure) umgewandelt, teils sekretiert (
Archaea, die Biomethan produzieren, sogenannte Methanbildner, nutzen organisches Material und bauen daraus Biomethan auf. Dabei unterscheidet man acetatspaltende (acetotrophe) und wasserstoffoxidierende (hydrogenotrophe) Methanbildner. Die acetotrophen Methanbildner spalten Methylgruppen aus organischem Material ab und reduzieren sie zu Biomethan. Dafür benutzen sie das Coenzym Methanophenazin. Unter ihnen finden sich unter anderem Methanosarcina. Es konnte schon 1973 gezeigt werde, dass anoxische Mikrorganismen nur mit Glycolsäure als einziger Kohlenstoffquelle wachsen können (Kurz W.G.W. et al. 1973; Edenborn H.M. et al. 1985). Friedrich M. et al. 1991 und Friedrich M. et al. 1996 entdeckten zwei acetotrophe Stämme, die auf Glycolsäure wachsen und in einer Mischkultur Methan herstellen, wobei gilt: 4 C2H4O3 (Glycolsäure) -> 3 CH4 + 5 Co2 + 2 H2O. Egli C. et al. 1989 zeigten, dass Methanbildner mit Monochlor- und Dichloracetat als Kohlenstoff- und Energiequelle leben können.Archaea, who produce biomethane, known as methanogens, use organic material and use it to produce biomethane. A distinction is made between acetate-splitting (acetotrophic) and hydrogen-oxidizing (hydrogenotrophic) methanogens. The acetotrophic methanogens split off methyl groups from organic material and reduce them to biomethane. For this they use the coenzyme methanophenazine. Among them are Methanosarcina. It was already shown in 1973 that anoxic microorganisms can only grow with glycolic acid as sole carbon source (Kurz WGW et al 1973, Edenborn HM et al., 1985). Friedrich M. et al. 1991 and Friedrich M. et al. In 1996 two acetotrophic strains were discovered that grow on glycolic acid and produce methane in a mixed culture, where: 4 C2H4O3 (glycolic acid) -> 3 CH4 + 5 Co2 + 2 H2O. Egli C. et al. In 1989, methanogens were able to live with monochloroacetate and dichloroacetate as the source of carbon and energy.
Hydrogenotrophe Methanbildner wie Methanococcus, Methanobacterium und Methanopyrus hingegen bilden Methan durch Reduktion von Kohlenstoffdioxid mit Wasserstoff zu Methan und Wasser oder durch Umwandlung von Ameisensäure. Sie verfügen nicht über das Enzym Methanophenazin. Der größte Teil der Methanbildner benötigt ein anoxisches, pH-neutrales oder schwach basisches Medium mit mindestens 50 % Wasser. Gewässerablagerungen, überwässerte Böden wie Moore und Reisfelder, Mist, Gülle und der Darm von Wiederkäuern stellen hervorragende Biotope für Methanbildner dar. Hemmstoffe für Methanbildner sind organische Säuren, Desinfektionsmittel und Sauerstoff.Hydrogenotrophic methanogens such as Methanococcus, Methanobacterium and Methanopyrus, on the other hand, form methane by reducing carbon dioxide with hydrogen to form methane and water or by converting formic acid. They do not have the enzyme methanophenazine. Most of the methanogens require an anoxic, pH neutral or weakly basic medium with at least 50% water. Water deposits, overgrown soils such as bogs and rice fields, manure, manure and the gut of ruminants are excellent biotopes for methane producers. Inhibitors of methane formers are organic acids, disinfectants and oxygen.
Die Reaktionsgleichung für die Bildung von Biomethan im Laufe des erfindungsgemäßen Gesamtprozesses lautet: CO2 + 2H2O -> CH4 + 2O2.The reaction equation for the formation of biomethane in the course of the overall process according to the invention is: CO2 + 2H2O -> CH4 + 2O2.
Um Mikroorganismen an besondere Medienbestandteile, Ernährungsquellen und Stoffwechselendprodukte anderer Mikroorganismen zu gewöhnen, werden die Mikroorganismen stufenweise an die Bestandteile angepasst. Dies geschieht in einem Turbidostaten, der bei einem Abfall des Wachstums bzw. der Populationsdichte den Zufluss von Medium mit dem Bestandteil, an den sich gewöhnt werden soll, verringert und den Zufluss von für Wachstum besser geeignetem Medium erhöht. Bei diesem System wird nicht nur ausgenutzt, dass manche Mikroorganismen evolutionär bedingt über Stoffwechselwege verfügen, die in ihren jeweiligen bevorzugten Lebensräumen nicht gebrauchen. Es werden auch im Rahmen von Langzeitprojekten stabile Stämme durch Mutationen erzeugt. Durch diese Methode ist es möglich, Methanbildner an organisches Material insbesondere organische Säuren als einzige Kohlenstoff- bzw. Energiequelle ohne genetische Manipulation anzupassen.In order to accustom microorganisms to particular media components, food sources and metabolic end products of other microorganisms, the microorganisms are gradually adapted to the components. This occurs in a turbidostat, which, when growth or population density decreases, reduces the inflow of medium with the component to be acclimated and increases the inflow of medium more suitable for growth. This system not only exploits the fact that some microorganisms have evolutionary pathways through metabolic pathways that are not needed in their respective preferred habitats. Stable strains are also produced by mutations in long-term projects. By this method, it is possible to adapt methane formers to organic material, in particular organic acids, as the only source of carbon or energy without genetic manipulation.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist effizienter als die Produktion von glucosebasierten Biokraftstoffen, bei der die Effizienz der Glucosesynthesehon nur 1-2 % beträgt (Linder H. 1998). Circa 36 % der eingestrahlten Sonnenenergie wird durch die Lichtreaktion der Photosynthese in ATP gespeichert, da vier Einstein Rotlicht mit jeweils 172 kJ 688 kJ entsprechen und für den Transport von 2 Mol Elektronen bzw. 218,9 kJ reichen, wodurch 1 Mol ATP mit 30,6 kJ entsteht (zusammen 249,5 kJ), welches für die Kohlenstofffixierung im Calvinzyklus gebraucht wird. Zusammen mit dem Verbrauch von NADPH beträgt die Effizienz des Calvinzyklus mit Aufbau und Sekretion ca. 25 % (Nabors M.W. et al. 2007). Die Methanbildung durch die Archaea ist mit ca. 70 % sehr effizient (Bernacchi S. et al. 2014). Der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Bildung von Biomethan liegt im Ergebnis bei ca. 18 % der eingestrahlten Sonnenenergie. Damit ist der Wirkungsgrad höher als bei der Photovoltaik, welcher dort nur 16 % erreicht.The process of the invention is more efficient than the production of glucose-based biofuels, in which the efficiency of glucose synthesis is only 1-2% (Linder H. 1998). Approximately 36% of the irradiated solar energy is stored by the light reaction of photosynthesis in ATP, since four Einstein red light with each 172 kJ correspond to 688 kJ and for the transport of 2 moles of electrons or 218.9 kJ, whereby 1 mol of ATP with 30, 6 kJ is formed (together 249.5 kJ), which is used for the carbon fixation in the Calvinzyklus. Together with the consumption of NADPH, the efficiency of the calvary cycle with structure and secretion is about 25% (Nabors M.W. et al., 2007). Methane formation by the archaea is very efficient at around 70% (Bernacchi S. et al., 2014). The overall efficiency of the formation of biomethane according to the invention is the result at about 18% of the irradiated solar energy. Thus, the efficiency is higher than in photovoltaics, which only reaches 16% there.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung geschildert. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Abfolge von Modi, die beginnend mit dem Produktionsmodus nachfolgend dargestellt sind.The solution according to the invention is described below. The method according to the invention is based on a sequence of modes which, starting with the production mode, are shown below.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren stellen PTM in einem ersten Abschnitt im Produktionsmodus organisches Material insbesondere Glycolsäure unter oxischen Bedingungen aus Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff her und sekretieren es in ein Medium. Sie nutzen dabei Sonnenlicht und die im Medium vorhandenen Spurenelemente. Ihr Wachstum ist eingestellt. Sie benötigen keinen Dünger zum Wachsen oder andere für das Wachstum nötige Bestandteile im Medium. Das organische Material wird auf natürlichem Weg sekretiert. Es entsteht in den Zellen durch die Nutzung des Sauerstoffs anstelle von Kohlenstoffdioxid (rechte Seite in
Nach der Produktion des organischen Materials, wobei vorteilhaft eine Lichteinstrahlung von 100 bis 200 µE/m2·s von mehr als einer Stunde nötig ist, wird im Austauschmodus das Medium, welches das organische Material enthält, einem zweiten Abschnitt zugeleitet, in dem das organische Material von Methanbildnern unter anoxischen Bedingungen in Biomethan umgesetzt wird. Während des Übergangs zum zweiten Abschnitt wird das Medium von Sauerstoff entgast, damit der für die Methanbildner schädliche Sauerstoff nicht in den zweiten Abschnitt gelangt. Bis zu einem Restsauerstoffgehalt von 4 % sind die Methanbildner nicht gefährdet. Es wird beispielsweise bezogen auf Glykolsäure im Mittel 0,24 ml Biomethan pro mg Glykolsäure umgesetzt (Günther A. et al. 2012). In einem Gesamtfermenterkreislauf, d.h. in einem beide Abschnitte des kombinierten Fermenters betreffenden Kreislauf, wird beim Rücklauf zum ersten Abschnitt das Medium wieder mit Sauerstoff begast, damit die oxischen Bedingungen für die Produktion des organischen Materials im ersten Abschnitt wieder hergestellt werden. Das Medium, in dem sich die PTM hier beispielhaft Cyanobakterien wie Gloeothece 6909 und die Methanbildner wie Clostridien wie Synthrophobotulus glycolicus oder FIGlyM (Friedrich et al. 1996) sowie Methanococcus maripuladis befinden, hat vorzugsweise zumindest folgende Zusammensetzung:
Das Medium ergibt sich aus den vom DSMZ, Leibniz Institut - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, empfohlenen Bestandteilen und dem für Cyanobakterien geeigneten Bold's Basal Medium (Stein J. 1973).The medium results from the components recommended by the DSMZ, Leibniz Institute - German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH and Bold's Basal Medium suitable for cyanobacteria (Stein J. 1973).
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, während der Kontakt zum zweiten Abschnitt unterbrochen ist, das Medium von Sauerstoff entgast und bei einem Rücklauf mit Luft aus der Umgebung begast, danach die Luft von den PTM zur Kohlenstoffassimilation genutzt (Regenerationsmodus) und anschließend das Medium von Luft entgast und bei einem Rücklauf mit Sauerstoff begast wird. Nach dem Verbrauch des organischen Materials im zweiten Abschnitt und dem Verbrauch von Kohlenstoffverbindungen, die als Ausgangsmaterial für die Produktion des organischen Materials in den PTM dienen und insbesondere im reduktiven Pentosephosphatweg vorhanden sind, vorteilhaft nach der doppelten bis vierfachen Zeit der Lichteinstrahlung im Produktionsmodus, ist vorteilhaft der Regenerationsmodus einzuleiten. Er dient der Auffüllung des C3-Pools im Calvinzyklus (Lorimer G.H. et al. 1981) und der eigenen Kohlenstoffversorgung der PTM (
Beim Übergang vom Produktionsmodus mit einem hohen relativen Sauerstoffgehalt im Medium zum Regenerationsmodus mit gelöster Luft im Medium wird das Medium bevorzugt aus dem ersten Abschnitt abgeleitet und von Sauerstoff entgast. Anschließend wird das Medium vorzugsweise mit Luft begast und dem ersten Abschnitt wieder zugeleitet, wodurch ein Teilreaktorkreislauf etabliert wird. Der Austausch mit dem zweiten Abschnitt ist dabei bevorzugt unterbrochen.In the transition from the production mode with a high relative oxygen content in the medium to the regeneration mode with dissolved air in the medium, the medium is preferably derived from the first section and degassed by oxygen. Subsequently, the medium is preferably gassed with air and fed back to the first section, whereby a partial reactor circulation is established. The exchange with the second section is preferably interrupted.
Der Übergang vom Regenerationsmodus zum Produktionsmodus wird vorzugsweise im Teilreaktorkreislauf bei unterbrochenem Kontakt zum zweiten Abschnitt durch Entgasung des Mediums von Luft und Begasung mit Sauerstoff vorgenommen.The transition from the regeneration mode to the production mode is preferably carried out in the partial reactor circuit with interrupted contact with the second section by degassing the medium of air and gassing with oxygen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Verhältnis von Kohlenstoffdioxid zu Sauerstoff in dem im ersten Abschnitt befindlichen Medium im Produktionsmodus gering, bevorzugt 1:800 bis 1:3000. Dies entspricht dem Bereich, in dem die RuBisCO vermehrt Sauerstoff akzeptiert und die Vorläufer für organisches Material durch die PTM produziert werden ohne, dass der Sauerstoffgehalt toxisch wirkt. Im Gegensatz dazu ist das Verhältnis im Regenerationsmodus entsprechend der Luftzusammensetzung 1:500. Die Verringerung des Kohlenstoffdioxid-Sauerstoff-Verhältnis wird erreicht durch Entgasung der Luft und Begasung mit Sauerstoff im Übergang zum Produktionsmodus.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the ratio of carbon dioxide to oxygen in the medium in the first section in the production mode is low, preferably 1: 800 to 1: 3000. This corresponds to the range in which RuBisCO increasingly accepts oxygen and the organic material precursors are produced by the PTM without the oxygen content being toxic. In contrast, the ratio in the regeneration mode according to the air composition is 1: 500. The reduction of the carbon dioxide-oxygen ratio is achieved by degassing the air and gassing with oxygen in the transition to the production mode.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Austauschmodus das Medium beim Übergang vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt nach der Sauerstoffentgasung mit einem Ersatzgas aus einem Ersatzgasspeicher insbesondere mit Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff begast. Dadurch kommen die Methanbildner nicht in Kontakt mit Sauerstoff, sondern mit einem für sie unschädlichen Gas. Das Kohlenstoffdioxid kann insbesondere aus dem Biogas zurückgewonnen werden und zunächst dem Ersatzgasspeicher zugeführt werden. Stickstoff ist ebenfalls als Ersatzgas aufgrund seines inerten Charakters geeignet und auch in der Luft ubiquitär vorhanden. Beim Rücklauf vor der Sauerstoffbegasung wird das Medium von dem Ersatzgas wieder entgast. Das Medium ist im entgasten Zustand aufnahmefähig und -bedürftig für den Sauerstoff. Somit können wieder hohe Sauerstoffpartialdrücke im ersten Abschnitt erreicht werden. Das zurückgewonnene Gas wird wieder im Ersatzgasspeicher gespeichert, so dass es nicht verloren geht und für die Begasung wiederverwendet werden kann.In a preferred embodiment of the method according to the invention in the exchange mode, the medium is gassed during the transition from the first section to the second section after the oxygen degassing with a replacement gas from a replacement gas storage in particular with carbon dioxide or nitrogen. As a result, the methanogens do not come into contact with oxygen, but with a harmless gas for them. The carbon dioxide can be recovered in particular from the biogas and initially supplied to the replacement gas storage. Nitrogen is also suitable as a replacement gas due to its inert character and is also ubiquitous in the air. When returning before the oxygen fumigation, the medium is degassed from the replacement gas again. The medium is in the degassed state receptive and in need of oxygen. Thus, again high Oxygen partial pressures can be achieved in the first section. The recovered gas is stored again in the replacement gas storage, so that it is not lost and can be reused for fumigation.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von dem im zweiten Abschnitt entstehenden Biogas durch einen Biogasfilter das Kohlenstoffdioxid abgetrennt und in dem Ersatzgasspeicher zur beschriebenen Ersatzbegasung gespeichert. Darüber hinaus kann bei übermäßiger Kohlenstoffdioxidanreicherung im Ersatzgasspeicher das Kohlenstoffdioxid im Regenerationsmodus anstelle der Luft benutzt werden. Die Auftrennung von Biogas in Biomethan und Kohlenstoffdioxid erfolgt bevorzugt durch einen Hohlfaserkontaktor. Dabei wird Kohlenstoffdioxid aus der gasförmigen Faser durch die Poren der Hohlfasern, die kleiner als 0,05 µm sind, abgetrennt, während das langsamer durchtretende Biomethan in der Hohlfaser verbleibt und weitergeleitet wird. Es kann dann in einem Biomethanspeicher gespeichert und ohne weiteres zur Energiegewinnung genutzt werden. Vorteilhaft ist insbesondere, dass die Konzentrationen an giftigen Stickstoffverbindungen wie Stickoxiden und Ammoniak sowie Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff vernachlässigbar gering vorzugsweise unter 0,1 % liegen.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the carbon dioxide is separated from the biogas produced in the second section by a biogas filter and stored in the replacement gas storage for the replacement gasification described. In addition, with excessive carbon dioxide accumulation in the replacement gas storage, the carbon dioxide can be used in the regeneration mode instead of the air. The separation of biogas in biomethane and carbon dioxide is preferably carried out by a Hohlfaserkontaktor. In this case, carbon dioxide is separated from the gaseous fiber through the pores of the hollow fibers, which are smaller than 0.05 microns, while the slower passing through biomethane remains in the hollow fiber and is forwarded. It can then be stored in a bioethanol storage and used to generate energy without further ado. It is particularly advantageous that the concentrations of toxic nitrogen compounds such as nitrogen oxides and ammonia and sulfur compounds such as hydrogen sulfide are negligible, preferably less than 0.1%.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Be- und Entgasung Filter insbesondere Hohlfaserkontaktoren verwendet, wobei die Porengröße unter 0,1 µm bevorzugt unter 0,04 µm beträgt. Die vorzugsweise zu benutzenden Hohlfaserkontaktoren zeichnen sich durch eine hohe Effektivität und einen geringen Energieaufwand bei der Be- und Entgasung von Flüssigkeiten aus. Bei der Entgasung wird das Medium durch die hydrophoben Hohlfasern geleitet, die in hoher Zahl in dem Kontaktor am Anfang und am Ende gebündelt vorhanden sind (
Die bevorzugt zu benutzenden Hohlfaserkontaktoren für die Entgasung und die Begasung weisen einen Eingang und einen Ausgang für den Flüssigkeitsstrom auf. Dem angeschlossen ist jeweils ein Eingangsraum und ein Ausgangsraum. Dazwischen befinden sich die Hohlfasern, welche durch eine Trennwand beidseitig fixiert sind. Die Trennwände begrenzen den Permeatraum, durch den die Hohlfasern gespannt sind. An eine Öffnung des Permeatraums schließt sich eine Pumpe an. Bei der Entgasung ist es eine Gaspumpe, die das Gas von den Hohlfasern wegführt, somit aus deren Sicht eine Vakuumpumpe. In
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen im ersten Abschnitt als PTM Cyanobakterien insbesondere Gloeothece 6909, Plectonema boryanum, Anabaena sp. und Nostoc sp. vor. Es zeigt sich, dass Cyanobakterien sich sehr gut für das erfindungsgemäße Verfahren eignen. Im Gegensatz zu Grünalgen, die in der sogenannten Grünlücke nicht absorbieren, können sie das Licht aller Wellenlängen mit Hilfe von Phycobillinen absorbieren und in chemische Energie umwandeln (MacColl R. 1998). Die Effizienz der Lichtverwertung ist bei dem Phycobillin Phycoerythrin sogar höher als bei Chlorophyll. Dadurch können Cyanobakterien auch Schwachlichtbereiche erfolgreich besiedeln, wie man sie beispielsweise auf der Unterseite von Flussgeröll oder in tiefen Schichten von Seen findet (Sari S. 2010). Folglich können sie im Produktionsmodus organisches Material auch bei geringen Lichtintensitäten herstellen. Des Weiteren werden Cyanobakterien bevorzugt, weil sie licht- und temperaturrobust sind, d.h. höhere Bestrahlungen und niedrigere Temperaturen ohne größere Beschädigungen aushalten (Latifi A. et al. 2009). Sie gehören zu den ältesten Lebewesen und haben beinahe jeden Lebensraum der Erde besiedelt. Im Gegensatz zu eukaryotischen PTM verfügen sie über keine vergleichbaren Zellkompartimente, so dass sie verhältnismäßig einfach zu analysieren und zu manipulieren sind. Nicht zuletzt sind sie für das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund ihrer hohen Produktionsraten von organischem Material von Vorteil. Die genannten Arten und Gattungen zeichnen sich beispielsweise durch hohe Produktions- und Sekretionsraten von Glycolsäure aus (Renström E. et al. 1989). Weiter bevorzugt werden biofilmbildende Cyanobakterien. Die genannten Arten und Gattungen bilden im ersten Abschnitt besagten Biofilm und werden dadurch nicht in den zweiten Abschnitt transportiert. Weiter bevorzugt werden geringfügig das produzierte organische Material verstoffwechselnde Cyanobakterien. Eine Strategie der Cyanobakterien, mit produziertem organischem Material zu verfahren, ist die Sekretion in das umliegende Milieu anstelle des energieintensiven Umbaus in für sie verwertbare Zwischenprodukte. Bevorzugt werden Arten, die nicht mehr als 10 % des organischen Materials verstoffwechseln. Viele Grünalgenarten wie Chlamydomomas reinhardtii produzieren zwar in nicht unerheblichen Maße Glycolsäure. Jedoch verstoffwechseln sie diese zu einem großen Teil (Moroney J.V. et al. 1986), weswegen sie für das erfindungsgemäße Verfahren weniger gut geeignet sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann im Ergebnis eine gentechnikfreie auch beim Verbraucher einsetzbare Technologie verwendet werden.In a preferred embodiment of the method according to the invention come in the first section as PTM cyanobacteria in particular Gloeothece 6909, Plectonema boryanum, Anabaena sp. and Nostoc sp. in front. It turns out that cyanobacteria are very suitable for the process according to the invention. In contrast to green algae, which do not absorb in the so-called green space, they can absorb the light of all wavelengths with the help of phycobillins and convert it into chemical energy (MacColl R. 1998). The efficiency of light utilization is even higher with phycobillin phycoerythrin than with chlorophyll. As a result, cyanobacteria can successfully colonize even low-light areas, such as those found on the underside of river boulders or deep layers of lakes (Sari S. 2010). Consequently, in production mode, they can produce organic material even at low light intensities. Furthermore, cyanobacteria are preferred because they are light and temperature robust, i. withstand higher irradiation and lower temperatures without major damage (Latifi A. et al., 2009). They belong to the oldest living beings and have settled nearly every habitat of the earth. In contrast to eukaryotic PTMs, they have no comparable cell compartments, so they are relatively easy to analyze and manipulate. Not least, they are for the inventive method due to their high production rates of organic material advantage. The types and genera mentioned are distinguished, for example, by high production and secretion rates of glycolic acid (Renström E. et al., 1989). Further preferred are biofilm-forming cyanobacteria. The species and genera mentioned form in the first section said biofilm and are thereby not transported to the second section. Further preferred are slightly the produced organic material metabolizing cyanobacteria. A strategy of the cyanobacteria to deal with produced organic material, the secretion into the surrounding environment instead of the energy-intensive conversion in usable for them intermediates. Preference is given to species that metabolize not more than 10% of the organic material. Many green algae such as Chlamydomomas reinhardtii produce glycolic acid to a considerable extent. However, they metabolize them to a great extent (Moroney J.V., et al., 1986), which makes them less suitable for the process of the invention. As a result of the method according to the invention, it is possible to use a technology which is free of genetic engineering and can also be used by the consumer.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Methanbildner im zweiten Abschnitt eine Mischung aus acetotrophen und hydrogenotrophen Archaea. Die acetotrophen Archaea insbesondere Methanosarcina sp. oder Synthrophobotulus sp. spalten das organische Material aus dem ersten Abschnitt in Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff auf. Es wird im Anschluss daran von hydrogenotrophen Archaea insbesondere Methanocella paludicola, Methanocella arvoryzae oder Methanopyrus kandleri zur Biomethanherstellung genutzt. Weiterhin bevorzugt werden im zweiten Abschnitt Mischkulturen verwendet, die durch Selektion aus Sedimenten von Seen und Meeren, aus Rinderpansen, dem Darm von Termiten und anderen Tieren, Reisfeldern, Sümpfen oder Biogasanlagen gewonnen wurden. Bei der Selektion wird den Archaea bis zur ausschließlichen Kohlenstoffversorgung mittels organischen Materials jenes stufenweise bevorzugt in dem zuvor beschriebenen Turbidostaten zugegeben. Dazu wurde durch die Erfinder Klärschlamm aus einer konventionellen Biogasanlage verwendet.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the methanogens in the second section are a mixture of acetotrophic and hydrogenotrophic Archaea. The acetotrophic archaea, in particular Methanosarcina sp. or Synthrobobotulus sp. split the organic material from the first section into carbon dioxide and hydrogen. It is then used by hydrogenotrophic archaea in particular Methanocella paludicola, Methanocella arvoryzae or Methanopyrus kandleri for biomethane production. Also preferred in the second section are mixed cultures obtained by selection from lake and marine sediments, from bovine rumen, from the intestine of termites and other animals, paddy fields, swamps or biogas plants. In the selection of the Archaea is added to the exclusive carbon supply by means of organic material that stepwise preferably in the above-described turbidostatic. For this purpose sewage sludge from a conventional biogas plant was used by the inventors.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Hemmstoffe des intrazellulären Abbaus des organischen Materials und der intrazellulären Kohlenstoffdioxidspeicherung im ersten Abschnitt vorhanden. Hemmstoffe des intrazellulären Abbaus von Glycolsäure sind zum Beispiel 3-Decyl-2,5-dioxo-4-hydroxy-3-pyrrolin (Stenberg K. 1997), 4-Carboxy-5-(1-pentyl)hexylsulfanyl-1,2,3-triazol (Stenberg K. 1997), Butyl 2-hydroxy-3-butynoate (Doravari S. et al. 1980) und α-Hydroxy-2-pyridinmethansulfonsäure (Zelitch I. 1966), welche vor allem die Glycolsäureoxidase hemmen. Hemmstoffe der Kohlenstoffdioxidspeicherung sind unter anderem Acetazolamid (Moroney J.V. et al. 2001) und Glycolaldehyd (Miller A.G. et al. 1989), welche die Konversion von Kohlenstoffdioxid zu Hydrogencarbonat, einer Speicherform des Kohlenstoffdioxids, unterdrücken. Die Hemmstoffe werden bevorzugt dem Medium im ersten Abschnitt zur Optimierung der Produktion organischen Materials beigefügt.In a preferred embodiment of the method according to the invention inhibitors of the intracellular degradation of the organic material and the intracellular carbon dioxide storage are present in the first section. Inhibitors of intracellular degradation of glycolic acid are, for example, 3-decyl-2,5-dioxo-4-hydroxy-3-pyrroline (Stenberg K. 1997), 4-carboxy-5- (1-pentyl) hexylsulfanyl-1,2, 3-triazole (Stenberg K. 1997), butyl 2-hydroxy-3-butynoate (Doravari S. et al., 1980) and α-hydroxy-2-pyridinemethanesulfonic acid (Zelitch I. 1966), which mainly inhibit glycolic acid oxidase. Inhibitors of carbon dioxide storage include acetazolamide (Moroney J.V. et al., 2001) and glycolaldehyde (Miller A.G., et al., 1989), which suppress the conversion of carbon dioxide to bicarbonate, a storage form of carbon dioxide. The inhibitors are preferably added to the medium in the first section to optimize the production of organic material.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in den PTM die Expression und/oder die Aktivität der Glycolsäuredehydrogenase (EC 1.1.99.14) und/oder Glycolsäureoxidase (EC 1.1.3.15) unterdrückt oder es werden anhand von Aktivitätsmessungen entsprechende PTM selektiert. Die Unterdrückung geschieht zum Beispiel durch shRNA (small hairpin RNA), ein RNA-Molekül mit einer Haarnadelstruktur, dass künstlich Gene durch RNA-Interferenz (RNAi) stilllegen kann. Alternativ können siRNAs (small interfering RNA), kurze, einzel- oder doppelsträngige Ribonukleinsäuremoleküle mit einer Länge von 20 bis 25 Basenpaaren genutzt werden. Sie fangen komplementäre einzelsträngige RNA-Moleküle ab und unterbinden damit die Expression des dazugehörigen Proteins. Bevorzugt wird weiterhin die Kohlenstoffdioxidanreicherung durch Carboxysomen und Pyrenoide gehemmt. Dazu wird die Expression der in den Carboxysomen für die Kohlenstoffdioxidanreicherung notwendigen Carboanhydrase (E.C. 4.2.1.1.) durch shRNA, siRNA oder andere Methoden wie Genknockouts unterdrückt. Bevorzugt werden die Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (EC 4.1.1.39) und/oder Glycolsäurephosphat-Phosphatase (EC 3.1.3.18) überexprimiert. Die Überexpression kann durch Einführung eines Plasmids mit dem jeweiligen Gen in den Organismus oder durch gegebenenfalls mehrfachen Einbau einer Überexpressionskassette mit dem jeweiligen Gen in das Genom des Organismus erfolgen, wobei das Gen jeweils von einem starken Promoter flankiert wird. RuBisCO ist innerhalb des Calvinzyklus das für die Kohlenstoffdioxid-/Sauerstoffassimilation bestimmende Enzym, während die Glycolsäurephosphat-Phosphatase der Herstellung der sekretierten Glycolsäure vorausgeht (
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Biogas in einem kombinierten Fermenter umfasst einen ersten Abschnitt, der teilweise lichtdurchlässig ist, mit phototrophen Mikroorganismen, die sich in einem Medium befinden. Die Lichtdurchlässigkeit wird durch die Verwendung von transparenten Materialien wie Glas, Formen von Acrylglas (Polymethylmetacrylate), Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyphenylenether und Polyethylen gewährleistet. Der erste Abschnitt ist bevorzugt als ein flaches Modul vergleichbar einem Solarpanel ausgestaltet, da innerhalb der Achse entlang der Sonneneinstrahlung die Tiefe des ersten Abschnitts durch die maximale Beleuchtungstiefe limitiert ist. Erfindungsgemäß sind die PTM derart immobilisiert, dass mehr als 90 % der einfallenden Sonnenstrahlung absorbiert wird, wobei eine Dicke von nicht mehr als 10 mm nicht überschritten wird. Die Module eignen sich zur einfachen Installation auf Freiflächen oder Häuserdächern und können beliebig miteinander kombiniert und erweitert werden. Nach dem Erreichen der Lebensdauer der PTM können diese ausgetauscht werden und herkömmlichen Biogasanlagen als ertragssteigernde Beimischung zugeführt werden.The device according to the invention for the production of biogas in a combined fermenter comprises a first section, which is partially translucent, with phototrophic microorganisms which are located in a medium. The light transmission is ensured by the use of transparent materials such as glass, forms of acrylic glass (polymethyl methacrylate), polycarbonate, polyvinyl chloride, polystyrene, polyphenylene ether and polyethylene. The first section is preferably designed as a flat module comparable to a solar panel, since the depth of the first section is limited by the maximum illumination depth within the axis along the solar radiation. According to the invention, the PTM are immobilized such that more than 90% of the incident solar radiation is absorbed, with a thickness of not more than 10 mm is not exceeded. The modules are suitable for easy installation on open spaces or roofs and can be combined and expanded as required. After reaching the lifetime of the PTM, these can be replaced and fed to conventional biogas plants as yield-increasing admixture.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen zweiten Abschnitt, der lichtundurchlässig ist, mit Methanbildnern, die sich in dem Medium befinden, das im Austauschmodus mit dem ersten Abschnitt ausgetauscht wird, wobei der Sauerstoffgehalt reduziert wird. Weiterhin Bestandteil ist ein Verbindungssystem zwischen erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt, in dem der Austausch und die Be- und Entgasung des Mediums mit Hilfe von Filtern stattfindet, wobei die Filter mit Gaszu- und Gasableitungen verbunden sind. Ein weiterer Bestandteil ist eine Biogasableitung vom zweiten Abschnitt zur Ableitung des entstehenden Biogases. Pumpen und Ventile dienen der Verteilung der Flüssigkeits- und Gasströme entsprechend der beispielhaft anhand der Zeichnungen erläuterten Ausführungsform. Die weitere Ausgestaltung der Vorrichtung richtet sich nach den zuvor beschriebenen vorteilhaften Verfahren. Bevorzugt sind beide Abschnitte mit Behältern, die Nährstoffe wie Spurenelemente beinhalten oder der Abfuhr von Nebenprodukten dienen, verbunden. Die Materialien der beiden Abschnitte abgesehen von dem transparenten Bereich im ersten Abschnitt sind entsprechend der gestellten Ansprüche zum Beispiel Metalle oder Kunststoffe.The apparatus further comprises a second portion that is opaque with methane formers that are in the medium that is exchanged with the first portion in the exchange mode, thereby reducing the oxygen content. A further component is a connection system between the first section and the second section, in which the exchange and the degassing of the medium takes place with the aid of filters, the filters being connected to gas supply and gas discharge lines. Another component is a biogas discharge from the second section for the discharge of the resulting biogas. Pumps and valves serve to distribute the liquid and gas streams according to the example explained with reference to the drawings embodiment. The further embodiment of the device depends on the advantageous methods described above. Preferably, both sections are connected to containers which contain nutrients such as trace elements or serve for the removal of by-products. The materials of the two sections aside from The transparent area in the first section are for example metals or plastics according to the claims.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Verbindungssystem ein erstes und zweites Verbindungsrohr zur möglichen Etablierung eines Ganzreaktorkreislaufs im Austauschmodus. Weiterhin umfasst das Verbindungssystem vorzugsweise ein Querverbindungsrohr, das das erste Verbindungsrohr und das zweite Verbindungsrohr miteinander verbindet. Dadurch kann ein Teilreaktorkreislauf für die Übergänge zwischen Regenerations- und Produktionsmodus etabliert werden. Weiterhin bevorzugt sind Filter als Teilstücke der Verbindungsrohre zwischen den Abschnitten und dem Querverbindungsrohr vorgesehen. Diese Filter dienen der Be- und Entgasung im Austauschmodus (erster bis vierter Filter) und in den Übergängen vom Austauschmodus zum Regenerationsmodus und vom Regenerationsmodus zum Produktionsmodus (erster und zweiter Filter). Weiterhin umfasst die Vorrichtung vorzugsweise ein zweites Querverbindungsrohr, das den ersten Abschnitt und das Querverbindungsrohr verbindet, und einen fünften Filter als Teilstück des zweiten Querverbindungsrohrs mit einer Luftleitung mit Luftfilter bevorzugt mit einer Porengröße von 0,2 µm oder kleiner zur Entkeimung der eingesaugten Luft. Der fünfte Filter dient der Be- und Entgasung mit Luft in den Übergängen vom Austauschmodus zum Regenerationsmodus und vom Regenerationsmodus zum Produktionsmodus, wobei der erste und zweite Filter ihre jeweilige Be- bzw. Entgasungsfunktion mit Sauerstoff wahrnehmen. Bevorzugt verfügt der Fermenter über eine Sauerstoffableitung, eine Sauerstoffzuleitung, eine Ersatzgasableitung und eine Ersatzgaszuleitung, jeweils verbunden mit einer Gaspumpe und dem jeweiligen Filter sowie einen Ersatzgasspeicher und einem Sauerstoffspeicher, jeweils verbunden mit den Ersatzgas- bzw. Sauerstoffleitungen. Dadurch können die Gase nach kombinierten Be- und Entgasungsvorgängen zwischengespeichert werden. Weiterhin bevorzugt geht die Biogasableitung vom zweiten Abschnitt in einen Biogasfilter und anschließend in einen Biomethanspeichertank über. Vorzugsweise ist der Biogasfilter mit dem Ersatzgasspeicher verbunden. Dadurch kann das durch den Biogasfilter abgezweigte Kohlenstoffdioxid dem Ersatzgaskreislauf wieder zur Verfügung gestellt werden. Auch eine Bereitstellung überflüssigen Kohlenstoffdioxids im Regenerationsmodus ist denkbar. Es handelt sich im Ergebnis um einen doppelten Kreislauf. Ein pH-Sensor im ersten Abschnitt dient vorzugsweise der Feststellung wie hoch der Anteil organischer Säure im Medium ist und wann entsprechend der Austauschmodus einzuleiten ist. Alternativ können Solarsensoren zur Feststellung der Aktivität der PTM eingesetzt werden.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the connection system comprises a first and second connection pipe for the possible establishment of a whole-reactor circulation in the exchange mode. Furthermore, the connection system preferably comprises a cross connection tube which connects the first connection tube and the second connection tube. As a result, a partial reactor circuit for the transitions between regeneration and production mode can be established. Further preferably, filters are provided as portions of the connecting pipes between the sections and the cross-connecting pipe. These filters are used for aeration and degassing in the exchange mode (first to fourth filter) and in the transitions from the exchange mode to the regeneration mode and from the regeneration mode to the production mode (first and second filters). Furthermore, the device preferably comprises a second cross-connection tube which connects the first section and the cross-connection tube, and a fifth filter as a section of the second cross-connection tube with an air duct with air filter preferably with a pore size of 0.2 microns or smaller for sterilization of the sucked air. The fifth filter is used for the ventilation and degassing with air in the transitions from the exchange mode to the regeneration mode and the regeneration mode to the production mode, wherein the first and second filters perform their respective oxygen degassing function. Preferably, the fermenter has an oxygen discharge, an oxygen supply, a substitute gas discharge and a replacement gas supply, each connected to a gas pump and the respective filter and a replacement gas storage and an oxygen storage, respectively connected to the replacement gas or oxygen lines. As a result, the gases can be temporarily stored after combined degassing and degassing operations. Furthermore, the biogas discharge from the second section is preferably transferred into a biogas filter and subsequently into a biomethane storage tank. Preferably, the biogas filter is connected to the replacement gas storage. As a result, the carbon dioxide diverted through the biogas filter can be made available to the replacement gas cycle again. Provision of superfluous carbon dioxide in the regeneration mode is also conceivable. It is in the result of a double circuit. A pH sensor in the first section preferably serves to determine how high the organic acid content is in the medium and when to initiate the exchange mode accordingly. Alternatively, solar sensors can be used to detect the activity of the PTM.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der erste Abschnitt vor zu starker Sonneneinstrahlung geschützt. Dies dient dem Schutz der PTM, deren Photosysteme bei zu starker Sonneneinstrahlung beschädigt werden können und/oder die durch die Freisetzung schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies gefährdet sind. Insbesondere kann der lichtdurchlässige Bereich des ersten Abschnitts schrittweise verdunkelt werden. Beispielsweise können im lichtdurchlässigen Bereich des ersten Abschnitts elektrochrome Materalien Verwendung finden.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the first section is protected from excessive solar radiation. This serves to protect the PTM, whose photosystems can be damaged by excessive sunlight and / or which are endangered by the release of harmful reactive oxygen species. In particular, the translucent area of the first section can be darkened stepwise. For example, electrochromic materials may be used in the translucent region of the first section.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die phototrophen Mikroorganismen bevorzugt auf Zellulose oder einem beweglichen Trägermaterial insbesondere in gasdurchlässigen Gelkapseln und die Methanbildner bevorzugt auf Aktivkohle und/oder einem beweglichem Trägermaterial insbesondere in gasdurchlässigen Gelkapseln immobilisiert. Die Immobilisierung dient dazu, die PTM und die Methanbildner in den jeweils für sie vorgesehenen Abschnitten zu fixieren. Nur das Medium soll ausgetauscht werden. Immobilisierungsverfahren wie (kovalente) Bindung an die Oberfläche, Ausfüllen von Poren, Quervernetzung, Membranabtrennung sowie Einschlussimmobilisierung sind möglich. Beispielsweise können die vorzugsweise biofilmbildenden PTM auf einer Trägeroberfläche wie Zellulose, Alginat, Chitosan oder Agar aufwachsen. Auch bewegliche Träger sind denkbar, die am Ausgang des Abschnitts durch einen Filter zurückgehalten werden und dadurch im jeweiligen Abschnitt zu einer Immobilisierung beitragen. Weiterhin kommen sogenannte Immobilisierungstags in Betracht, d.h. Proteine, die rekombinant auf der Oberfläche der Mikroorganismen exprimiert werden und dort für eine Bindung an einem Trägermaterial sorgen. Die Methanbildner können auch vorteilhaft auf Aktivkohle immobilisiert werden.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the phototrophic microorganisms are preferably immobilized on cellulose or a mobile carrier material, in particular in gas-permeable gel capsules and the methanogens preferably immobilized on activated carbon and / or a mobile carrier material, in particular in gas-permeable gel capsules. The immobilization serves to fix the PTM and the methanogens in the sections intended for them. Only the medium should be replaced. Immobilization methods such as (covalent) surface bonding, pore filling, cross-linking, membrane separation, and inclusion immobilization are possible. For example, the preferably biofilm-forming PTM can grow on a support surface such as cellulose, alginate, chitosan or agar. Movable supports are also conceivable, which are retained at the exit of the section by a filter and thereby contribute to immobilization in the respective section. Furthermore, so-called Immobilisierungstags come into consideration, i. Proteins that are expressed recombinantly on the surface of the microorganisms and ensure there binding to a carrier material. The methanogens can also be advantageously immobilized on activated carbon.
Aus der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich vorteilhafte Wirkungen der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik und auch die gewerbliche Anwendbarkeit.From the description of the method according to the invention and the device according to the invention, advantageous effects of the invention over the prior art and also the industrial applicability result.
Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik schließen eine optimale, vor allem energiesparsame Übertragung des organischen Materials von einem aeroben Abschnitt des kombinierten Fermenters zu einem anaeroben Abschnitt ein. Dabei wird eine verbesserte Belüftung der Mikroorganismen ohne unnötigen Gasverbrauch erreicht. Zusätzlich besteht in einer bevorzugten Variante die Möglichkeit Kohlenstoffdioxid (und Stickstoff) aus der Luft zu assimilieren und damit einen klima- bzw. CO2-neutralen Vorgang einzuleiten, der in der Kohlenstoffdioxidfreisetzung bei der Biomethanverbrennung mündet. Im Ergebnis ist das erfindungsgemäße Verfahren in der dazu vorgesehenen Vorrichtung vor allem im Vergleich zur Herstellung von Biogas aus Pflanzen effektiver, was nicht nur die geringere Ackerflächennutzung und die hohen Kosten bei der Gewinnung der Biomasse betrifft:
Beschreibung der Zeichnungen
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zeigt eine zweidimensionale Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei gestrichelte Stellen einen Ebenenübergang darstellen.Figur 1 -
Figuren 2-6 zeigen Ansichten des in dargestellten Fermenters in mehreren Modi.Figur 1 -
Figur 7 zeigt den Aufbau eines vorzugsweise als Filter einzusetzenden Hohlfaserkontaktors. -
zeigt schematisch den Ablauf des Calvinzyklus in phototrophen Mikroorganismen unter kohlenstoffdioxidreichen Bedingungen (linke Seite) und unter sauerstoffreichen Bedingungen (rechte Seite).Figur 8 -
Figur 9 zeigt die durch RuBisCO katalysierten Reaktionen mit den beteiligten Molekülen in Strukturformeln. -
zeigt die Oxygenasereaktion der RuBisCO und die weitere Verstoffwechslung der dadurch entstandenen Phospho-Glycolsäure mit den beteiligten Molekülen in Strukturformeln und den Enzymen.Figur 10 -
zeigt ein Diagramm zur Glycolsäureproduktion in µmol pro mg Chlorophyll a durch Gloeothece 6909 bei unterschiedlichem Sauerstoff-/Kohlenstoffdioxidverhältnis und unterschiedlichen Bestrahlungsstärken.Figur 11
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FIG. 1 shows a two-dimensional view of a device according to the invention for carrying out the method, wherein dashed lines represent a plane transition. -
Figures 2-6 show views of inFIG. 1 shown fermenter in several modes. -
FIG. 7 shows the structure of a preferably used as a filter hollow fiber contactor. -
FIG. 8 shows schematically the course of the Calvinzyklus in phototrophic microorganisms under carbon dioxide-rich conditions (left side) and under oxygen-rich conditions (right side). -
FIG. 9 shows the reactions catalyzed by RuBisCO with the molecules involved in structural formulas. -
FIG. 10 shows the oxygenase reaction of RuBisCO and the further metabolism of the resulting phospho-glycolic acid with the molecules involved in structural formulas and the enzymes. -
FIG. 11 shows a graph of glycolic acid production in μmol per mg of chlorophyll a by Gloeothece 6909 at different oxygen / carbon dioxide ratio and different irradiance.
In dem in
In dem in
Im Übergang zum Regenerationsmodus sind die Ventile vom zweiten Abschnitt (4), einem Teil des ersten Verbindungsrohrs (8), vom zweiten Verbindungsrohr (9) und einem Teil des ersten Querverbindungsrohrs (10) entsprechend der
Im Regenerationsmodus sind die Ventile der Abschnitte zum Verbindungssystem (6) wie in
Im Übergang zum Produktionsmodus sind die Ventile vom zweiten Abschnitt (4), erstem Verbindungsrohr (8), einem Teil des zweiten Verbindungsrohrs (9) und einem Teil des ersten Querverbindungsrohrs (10) entsprechend der
Es wurde folgende Nichtpatentliteratur zitiert:
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Claims (15)
- A method for the production of biogas in a combined fermenter, in which phototrophic microorganisms (1) in a first section (2) produce organic material, in particular glycolic acid from carbon dioxide and oxygen, and secrete it into a medium (3) (production mode) that is fed into a second section (4) in which methanogens (5) produce biomethane and carbon dioxide under anoxic conditions, characterized in that the medium (3) is degassed by oxygen during the transition from the first section (2) to the second section (4) and is backfilled with oxygen during a return (exchange mode).
- A method according to claim 1, characterized in that, while the contact to the second section (4) is interrupted,- the medium (3) is degassed by oxygen and is gassed with air from the environment during a return;- the air is then used by the phototrophic microorganisms (1) for carbon assimilation (regeneration mode);- the medium (3) is then degassed by air and gassed with oxygen-during a return flow.
- A method according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio of carbon dioxide to oxygen in the medium (3) in the production mode located in the first section (2) is low, preferably 1: 800 to 1: 3000.
- A method according to one of the preceding claims, characterized in that in the exchange mode the medium (3) is gassed with a substitute gas after the oxygen degassing during the transition from the first section (2) to the second section (4), in particular with carbon dioxide or nitrogen, and that it is degassed by the substitute gas before the oxygen gassing.
- A method according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon dioxide is separated from the biogas produced in the second section (4) and is used for carbon dioxide gassing according to claim 4.
- A method according to one of the preceding claims, characterized in that, in particular, hollow fiber contactors are used for the gassing and degassing, the pore size being less than 0.1 µm, preferably less than 0.04 µm.
- A method according to one of the preceding claims, characterized in that cyanobacteria are used as phototrophic microorganisms (1), preferably biofilm-forming and preferably slightly more preferably metabolizing less than 10 % of the produced organic material, in particular Gloeothece 6909, Plectonema boryanum, Anabaena sp. and Nostoc sp.
- A method according to one of the preceding claims, wherein the methanogens (5) in the second section (4) are a mixture of acetotrophic and hydrogenotrophic archaea, wherein the acetotrophic archaea, in particular methanosarcina or synthrophobotulus, segregate the organic material from the first section (2) in carbon dioxide and hydrogen which is used by hydrogenotrophic archaea, in particular Methanocella paludicola, Methanocella arvoryzae or Methanopyrus kandleri, for biomethane production and / or mixed cultures obtained by selection from sediments of lakes and oceans, bovine pans, intestines of termites and other animals, rice fields, marshes or biogas plants.
- A method according to one of the preceding claims, characterized in that inhibitors of the intracellular degradation of the organic material and / or of the intracellular carbon dioxide storage are present in the first section (2).
- A method according to one of the preceding claims, characterized in that in the phototrophic microorganisms (1)- the expression and / or the activity of the glycolic acid dehydrogenase and / or glycolic acid oxidase is suppressed;- the carbon dioxide accumulation by carboxysomes and pyrenoids is inhibited;- the ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase and / or glycolic acid phosphate phosphatase are overexpressed;- the ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase type II is expressed;- the excretion of organic material, especially of glycolic acid, is enhanced by the cell membrane.
- A device for producing biogas in a combined fermenter comprising the following components:- a first section (2), which is partially transparent, with phototrophic microorganisms (1) which are located in a medium (3);- a second section (4) which is opaque, with methanogens (5) located in the medium (3) which is exchanged in exchange mode with the first section (2), the oxygen content being reduced;- a connecting system (6) between the first section (2) and the second section (4);- filters in the connecting system (6) for the gassing and degassing of the medium (3) which are connected to gas supply and gas outlets,- a biogas effluent (7) from the second section (4);- pumps and valves for the distribution of liquid and gas streams.
- A device according to claim 11, characterized in that- the connecting system (6) comprises a first connecting pipe (8) and a second connecting pipe (9);- the connecting system (6) comprises a first cross-connect tube (10) interconnecting the first connecting pipe (8) and the second connecting pipe (9);- a first filter (11) is a part of the first connecting pipe (8) between the first section (2) and the first cross-connecting pipe (10);- a second filter (12) is a part of the second connecting pipe (9) between the first section (2) and the first cross-connecting pipe (10);- a third filter (13) is a part of the first connecting pipe (8) between the second section (4) and the first cross-connecting pipe (10);- a fourth filter (14) is a part of the second connecting pipe (9) between the second section (4) and the first cross-connecting pipe (10);- a second cross-connect tube (15) connecting said first section (2) and said first cross-connect tube (10);- a fifth filter (16) is a part of the second cross-connect tube (15) and is connected to an air line (17) with air filter (18), preferably with a pore size of 0.2 µm or less;- an oxygen effluent (19), an oxygen supply line (20), a substitute gas supply line (21) and a substitute gas discharge line (22);- a spare gas storage (23) and an oxygen storage (24) are present;- a biogas filter (25) is provided as a part of the biogas effluent (7) with a subsequent biomethane storage tank (26);- the spare gas storage (23) is connected to the biogas filter (25);- a first pump (27) as a part of the first cross-connect tube (8) between the first section (2) and the first filter (11) and a second pump (28) as a part of the second connecting pipe (9) between the first cross-connect tube (10) and the second Filter (12) is present.
- A device according to one of the preceding claims, characterized in that the first section (2) is protected from excessive solar radiation, in particular the light-transmissivie region (29) of the first section (2) can be darkened step by step.
- A device according to one of the preceding claims, characterized in that the phototrophic microorganisms (1) are preferably immobilized on cellulose or a mobile carrier material, in particular gas-permeable gel capsules and the methane generators (5) preferably on activated carbon or a mobile carrier material, in particular gas-permeable gel capsules.
- A device according to one of the preceding claims, characterized in that the filters are hollow fiber contactors, in particular with a gas pump (30), a permeate chamber (31), partitions (32), hollow fibers (33), an input space (34) and an output space (35).
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